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Transformator für einen statischen Wechselrichter
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Die Erfindung betrifft einen Transformator für einen statischen Wechsel
richter. Statische Wechselrichter sind Anordnungen, mit denen durch statische Einrichtungen
Gleichstrom in Wechselstrom umgeformt wird. Die vorliegende Erfindung befasst sich
mit Wechsel richtern, bei denen von einer Gleichstromquelle über eine oder zwei
Halbleiteranordnungen Strom der Primärwicklung eines Leistungstransformators zugeführt
wird, so dass am Ausgang der Sekundärwicklung des Transformators Wechselstrom liegt,
wenn die Halbleiteranordnungen geschaltet werden. Die hier beschriebenen Transformatoren
werden in Wechsel richtern verwendet, die sowohl einen als auch zwei Transistoren
enthalten können sowie Steuerwicklungen aufweisen, die an eine Eingangselektrode
der Walbleiteranordnung gekoppelt sind, um ein wirksames und belastungsfreies bzw.
spannungsfreies Schalten zu ermöglichen.
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Es sind bereits statische Wechselrichter bekannt, die eine Gleichstromquelle,
einen oder zwei HalbleiterscnaLter und einen Transformator enthalten und entweder
freilaufend oder fremdgesteuert betrieben werden. Sowohl bei der freilaufend als
auch bei der fremdgesteuert betriebenen Ausführungsform können zum Schalten der
Halbleiter Rückkopplungswicklungen vorgesehen sein. Die US-PS' n 3 914 680 und 4
002 999 befassen sich mit der Anpassung der Transformatoreigenschaften an den Halbleiter
in einem Wechselrichter, um insbesondere die Schaltleistung zu optimieren und eine
Überlastung der Halbleiter aufgrund von voller Kernsättigung zu vermeiden. Bei den
Transformatoren nach beiden Patentschriften ist der Hauptkern mit einer Öffnung
oder mit zwei Öffnungen im Falle von zwei Transistoren versehen, wobei jede Öffnung
den Kern in zwei örtlich festgelegte Zweige aufteilt. Ein Zweig ist so ausgelegt,
dass er zuerst gesättigt wird und nach Sättigung die positive Rückkopplung zum Transistor
verringert und die Gegenkopplung zum Transistor erhöht, um volle Kernsättigung zu
vermeiden.
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Die aus den vorgenannten Patentschriften bekannten Schaltungen führten
zu einer Verringerung der Kosten von Wechsel richtern und zu einer erheblichen Verbesserung
der Schaltleistungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Transformator
für Wechselrichter zu schaffen, insbesondere einen Transformator, mit dem bei Wechsel
richtern der Schaltvorgang verbessert und damit die Lebensdauer und Zuverlässigkeit
erhöht werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Transformator mit einem Kern
aus im wesentlichen linearem magnetischem Material, der einen geschlossenen Magnetpfad
aufweist, in dem in einem lokalisierten
Bereich des Kerns zwei
Öffnungen vorgesehen sind. Die eine Öffnung teilt den Magnetpfad in einen ersten
und zweiten Zweig auf und die andere Öffnung teilt den Magnetpfad in einen dritten
und vierten Zweig auf. Zwischen den beiden Öffnungen liegt ein fünfter Zweig. Der
erste und vierte Zweig bilden ein "erstes" Diagonalzweigpaar und der zweite und
dritte Zweig bilden ein "zweites" Diagonalzweigpaar. Die Öffnungen sind in Reihe
entlang des Magnetpfades angeordnet, damit ein Fliessen des Hauptflusses in den
fünften Zweig verhindert wird und der fünfte Zweig "orthogonal" zum Hauptfluss liegt.
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Eine Primärwicklung umschliesst den vollen Magnetpfad und erzeugt
einen Hauptfluss im Kern, wenn sie mit Strom gespeist wird. Eine erste Steuerwicklung
umschliesst den fünften Zweig und erzeugt bei Speisung mit Strom einen Zirkulationsfluss,
der zwei gegenläufige Schleifen um die Öffnungen bildet. Die Flüsse in den beiden
Schleifen vereinigen sich additiv im fünften Zweig, wobei der Fluss in einer Schleife
sich additiv mit dem Hauptfluss im einen Diagonalzweigpaar und subtraktiv im anderen
Diagonalzweigpaar vereinigt. Eine zweite Steuerwicklung umschliesst den fünften
Zweig.
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Die zweite Steuerwicklung liefert eine elektrische Grösse, deren Vorzeichen
sich in Abhängigkeit vom magnetischen Zustand des Kerns umkehrt. Die Magnetanordnung
sollte so ausgelegt sein, dass die Produkte der Reluktanzen des ersten Diagonalzweigpaars
gleich den Produkten der Reluktanzen des zweiten Diagonalzweigpaares sind, damit
der Hauptfluss möglichst wenig zu einer Kopplung mit der zweiten Steuerwicklung
neigt. Weiterhin kann in einer weiter eingeschränkten Ausführung die Reluktanz des
ersten
Zweiges gleich der Reluktanz des zweiten Zweiges gemacht
werden, wodurch die "Neutralität" zum Haupffluss mit nichtlinearen Ferriten weiter
verbessert wird.
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In einem praktischen Fall, bei dem mit drei Steuerpegeln gearbeitet
wird, wird die Reluktanz des ersten und zweiten Zweiges grösser als die Reluktanz
des dritten und vierten Zweiges bemessen, damit der erste Zweig vor dem zweiten
Zweig zur Sättigung neigt. Dies wird normalerweise dadurch erreicht, dass man die
eine Öffnung grösser als die andere macht und dafür sorgt, dass die Reluktanz des
fünften Zweiges kleiner ist als die der anderen Zweige, damit eine Sättigung des
fünften Zweig es vor Sättigung des ersten und zweiten Zweiges nicht erfolgen kann.
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Vorzugsweise weisen die erste und zweite Steuerwicklung nur wenige
Windungen auf und sind zur Erzielung einer merklichen Stromtransformatorwirkung
bei fehlender selektiver Sättigung eng gekoppelt. Dadurch erzielt man im Falle der
Nichtsättigung - ine maximale Kernkopplung zwischen der ersten und zweiten Steuervaicklung,
wobei diese Kopplung mit der Sättigung jedes Zweiges geringer wird.
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Sei einen Wechsel richter wird durch geeignete Mittel dafür gesorgt,
dass die Primärwicklung des Transformators und die erste -teuere.vicklung mit im
wesentlichen synchronen Wechselströmen gespeist werden um sicherzustellen, dass
der Hauptfluss und der rkulationsfluss sich im ersten Diagonalzweigpaar additiv
und ;m zweiten Diagonalzweigpaar subtraktiv überlagern und mit zuzunehmendem Speisestrom
zunächst das erste Diagonalzweigpaar zur Sättigung gezwungen wird.
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Wenn eine ohmsche Last an die zweite Steuerwicklung angeschlossen
wird, trägt die Sättigung des ersten Diagonalzweigpaares dazu bei, dass der Hauptfluss
in den fünften Zweig gezwungen wird. Dies bewirkt eine Richtungsumkehr des mit der
zweiten Steuerwicklung gekoppelten Flusses und eine Polaritätsumkehr der an die
ohmsche Last gekoppelten elektrischen Steuergrösse. Wenn als Last an die zweite
Steuerwicklung der Eingangsanschluss eines Flächentransistors angelegt wird, bewirkt
der Mechanismus der Verringerung und Umkehr des Steuerausgangssignals einen wiederholten
Anstieg der Reluktanz des von der ersten und zweiten Steuerwicklung gebildeten Stromtransformators.
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Der Flächentransistor ist typischerweise die Schaltanordnung ZUm Zuführen
von Wechselstrom zur Primärwicklung und zur ersten Steuerwtcklung und diese Art
von Schaltanordnung speichert in merklichen Maße Ladung. Wenn die zweite Steuerwicklung
an den Eingangsanschluss des Transistors angekoppelt wird, führt eine Stromtransformatorwirkung
von der ersten Steuerwicklung dazu, dass ein die Durchschaltung begünstigender Basisstrom
dem r rallsistor zu Beginn der Stromleitung zugeführt wird. Bei an die \Ci te Steuerwicklung
angeschlossenem Eingangsanschluss des Trarlsistors wird an der zweiten Steuerwicklung
ein konstanter Spannungsabfall aufrechterhalten, solange der Transistor leitend
bleibt. Diese feste Spannung wiederum bewirkt eine konstante Flussänderung im magnetischen
Bereich, insbesondere im fünften Zweig, an den die zweite Steuerwicklung gekoppelt
ist. Wenn also der eine Zweig (der erste) gesättigt wird, ergibt sich eine merkliche
Erhöhung der die erste und zweite Steuerwicklung aneinanderkoppelnden Reluktanzen
und damit eine Verringerung der Anstiegsgeschwindigkeit
des anliegenden
Basisstromes. Wenn der nächste Zweig (der vierte) gesättigt wird, steigt die Reluktanz
so stark an, dass sowohl eine Steigungsumkehr als auch eine absolute Stromumkehr
erzielt wird. Die Stromumkehr dauert solange an, bis die gespeicherte Ladung von
der Schaltanordnung entfernt wird und die Schaltanordnung keinen Strom mehr durchlässt.
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Durch die vorstehend erläuterte Anordnung wird ein hochwirksames Schalten
gewährleistet, da bei beginnender Stromführung ein starker Mitkopplungseffekt auftritt
und im Anschluss daran ein optimaler Übergang in den Sperrzustand durch gesteuerte
Umkehr des Treibstromes gewährleistet ist. Zeitpunkt und Verlauf der Umkehr können
so eingestellt werden, dass volle Kernsättigung und die daraus resultierende Überbeanspruchung
des Transistors verhindert wird.
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Die vorstehend erläuterte Anordnung kann bei Wechsel richtern mit
einem oder zwei Schaltanordnungen verwendet werden Bei zwei Schaltanordnungen können
zwei Öffnungspaare vorgesehen werden.
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Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in
denen zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild eines Wechselrichters mit einem Leistungstransformator
nach der Erfindung, der zwei Steuerwicklungen aufweist, die in Abhängigkeit vom
magnetischen Zustand des Kerns für eine den Stromdurchgang begünstigende und den
Stromdurchgang hemmende Rückkopplung sorgen,
Fig. 2 eine Ansicht
eines Transformators nach der Erfindung mit einem Kern mit zwei Paaren von Öffnungen
und mit den dem Kern und den Öffnungen zugeordneten Wicklungen, Fig. 3A bis 3D Darstellungen
des magnetischen Zustandes des Transformatorkerns im Bereich eines Öffnungspaares
zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten einer Transistorschaltperiode,
Fig. 4A bis 4C schematische Diagramme für die mathematische Analyse der Transformatorsteuerfunktion,
Fig. 5 drei durch die Analyse ermittelte idealisierte Wellenformen zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Anordnung nach der Erfindung und Fig. 6 ein Schaltbild eines
Wechselrichters rnit zwei abwechselnd leitenden Transistoren.
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Der in Fig. 1 dargestellte Wechselrichter wandelt die von einer Gleichstromquelle
11 gelieferte Gleichspannung von 155 V in eine Wechselspannung von 200 V und ungefähr
25 kHz um. Als Wechselstromverbraucher ist eine Hochleistungsgasentladungslampe
12 dargestellt. Der Wechsel richter enthält einen Leistungstransistor 13, einen
Leistungstransformator 14, verschiedene dem Transistor 13 zugeordnete Schaltungselemente
33, 34 und 35 sowie einen Steueroszillator 24. Die Schaltungsanordnung ohne Steueroszillator
24 wirkt als Vorwärtsumsetzer, bei dem während des Sperrzustandes
des
Schaltungstransistors elektrische Energie zur Gleichstromquelle 11 zurücl<geführt
wird.
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Der näher in Fig. 2 dargestellte Leistungstransformator 14 besitzt
einen Rechteckkern 15, eine Primärwicklung 16, eine Vorwärtsumsetzwicklung 17 und
eine Sekundärwicklung 18. Alle diese Wicklungen sind um den vollen Kernquerschnitt
gelegt. Die 126 Windungen aufweisende Primärwicklung 16 und die 126 Windungen aufweisende
Vorwärtungsumsetzwicklung 17 sind bifilar um den linken Schenkel des Kerns gelegt,
um eine enge Kopplung zu gewährleisten.
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70 Windungen der insgesamt 215 Windungen aufweisenden Sekundärwicklung
,8 sind um den linken Schenkel des iserns zur Erzielung einer verstärkten Kopplung
an die P@ Primärwicklung gelegt. Die rest-@@@en 145 Windungen der Sekundärwicklung
18 sind um den rechten Schenkel des Kerns gewickelt. Der Leistungstransformator
besitzt für den Anschluss an den Leistungstransistor 18 eine primäre Steuerwicklung
19 und eine sekundäre Steuerwicklung 20. Diese Steuerwicklungen sind durch eine
erste Doppelöffnung 36, 37 gelegt, @@e, @ie noch erläutert werden wird, eine wechselseitige
Kopplung in Abhängigkeit von der Flusspegeln im Kern erzeugt. Eine zweite Doppelöffnung
38, 39, der Wicklungen 21 und 22 zugeordnet sind, ist für den Betrieb des Steueroszillators
24 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Steueroszillators er scheint auf einer dritten
iteuerwicklung 23, die zur Kopplung mit dem Leistungsoszillatoreingang durch die
erste Doppelöffnung 36, 37 gewickelt ist. Beim Wechslerichter wird der Transformator
14 und der Schalttransistor 13 im Vorwärtsumsetzbetrieb eingesetzt. Der Schalttransistor
wird durch den Steueroszillator 24 zeitlich so angeschaltet, dass Impulse mit einer
Impulsfrequenz von 25 kHz erzeugt werden. Die Impulsform
und die
Impulslänge sind durch den Magnetkreis festgelegt.
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Zur Steuerung des Schalttransistors liefern die Steuerwicklungen zunächst
eine die Stromleitung begünstigende Ansteuerung gefolgt von einer die Stromleitung
hemmenden Ansteuerung, die den Transistor sperrt.
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Der Steueroszillator 24, der nicht ein Teil der Erfindung ist, wird,
wie bereits erwähnt, unter Verwendung der Magnetanordnung des Leistungstransformators
14 betrieben und enthält einen Transistor 25, Widerstände 26, 27 und 28, Kondensatoren
29 und 30, eine Diode 31 und die dem Öffnungspaar 38, 39 zugeordneten Transformatorwicklungen
21 und 22 sowie die dem Öffnungspaar 36, 37 zugeordnete Transformatorwicklung 23.
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Der Steueroszillator 24 ist ein Kippgenerator mit magnetischer Mitkopplung
(positiver Rückkopplung), die für die Erzeugung eines kurzen Steuerimpulses hoher
Intensität und einer Vorspannung sorgt, aufgrund der die Impulsfrequenz unempfindlich
gegenüber Änderungen der Gleichstromspeisespannung oder der Belastung wird.
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Der Steueroszillator besteht aus einem npn-Transistor 25, dessen Kollektorelektrode
über die Ausgangswicklung 23 an die positive Klcmmc 32 der Gleichsvromque:le 11
angeschlossen ist und dessen Basiselektrode über eine Schutzdiode 31 mit einem Spannungsteiler
in Verbindung steht, der von Widerständen 26 und 27 gebildet ist, die in der angeführten
Reihenfolge zwischen der Plusklemme 32 und Masse liegen. Der Emitter des Transistors
25 liegt über die primäre Rückkopplungswicklung 22 und einen dazu in Reihe liegenden
Widerstand
28 auf Masse. Zwischen dem nichtgeerdeten Anschluss des Widerstandes 28 und der
Plusklemme 32 liegt ein Kondensator 30. Die sekundäre Rückkopplungswicklung 21 ist
über einen Kondensator 29 und die dazu in Serie liegende Diode 31 an den Eingang
des Transistors 25 angeschlossen. Die Diode 31 und der Transistoreingang sind gleichgepolt.
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Der Steueroszillator arbeitet als Kippgenerator, wobei der Kondensator
30 wiederholt über den Widerstand 28 geladen und wiederholt über den Transistor
25 entladen wird. Beim Lade-Entlade-Vorgang fällt die Spannung an der unteren Klemme
des Kondensators langsam von nahe B+ auf einen typischerweise etwa 15-40 Volt unter
B+ liegenden Wert mit einer vom Widerstand 28, der Grösse des Kondensators und vom
Potential B+ festgelegten Entladungsgeschwindigkeit. Bei der gewünschten Mindestspannung
wird der Transistor leitend und die Entladung dadurch aufgehalten.
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Der Stromfluss über den Transistor 25 erfolgt zwischen der oberen,
mit der Plusklemme B+ in Verbindung stehenden Anschlussklemme des Kondensators und
der unteren Anschlussklemme des Kondensators, wodurch bei leitendem Transistor die
untere Anschlussklemme des Kondensators auf ein etwas unter (beispielsweise 2 Volt)
dem Potential B+ liegenden Wert zu liegen kommt. Wenn die Entladung bei starker
Vorspannung des Transistoreinganges in Sperrichtung aufhört, wiederholt sich die
Aufladung über den Widerstand 28.
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Die Aufladung des Kondensators wird abgebrochen, wenn der Transistor
25 bei einer Spannung leitend wird, die durch den mit der Basis in Verbindung stehenden
Spannungsteiler festgelegt ist.
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Die Emitterelektrode, die über die niederohmige Wicklung 22 mit der
unteren Kondensatoranschlussklemme in Verbindung steht, folgt dem Potential der
unteren Kondensatoranschlussklemme, wenn dieses abfällt. Die Basiselektrode des
Transistors 25, die über die Diode 31 mit dem an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen
Spannungsteiler 26, 27 in Verbindung steht, wird jedoch auf einem willkürlichen
Teil der Spannung B+ (ungefähr 15-40 V unter B+) gehalten. Die am Eingang des Transistors
anliegende Spannung schwankt also zwischen einer starken Sperrt spannung (15-40
V), die die Stromführung des Transistors bei beginnender Aufladung des Kondensators
verhindert, und einer Vorspannung, die den Transistor erneut in den Durchlasszustand
steuert. Die Aufladung des Kondensators wird unterbrochen, sobald der Transistor
leitend wird, wobei eine abrupte Entladung des Kondensators auftritt. Der Transistor
beginnt, leitend zu werden, wenn die untere Anschlussklemme des Kondensators 30
auf eine Spannung zu liegen kommt, die ungefahr um den doppelten Spannungsabfall
in der Diode unterhalb der Spannung der mit der Abzweigung des Spannungsteilers
in Verbirdung stehenden Basis liegt.
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Die Durchsteuerung des Transistors wird durch parasitäre Störsignale
und durch den Nebenschlusseffekt der niederohmigen Rückkopplungswicklungen beeinflusst.
Bei einem Basisstrom von nahe Null ist die Basisimpedanz hoch und die Wechselstromverstärkung
des Transistors gering, was zum Teil auf den parasitären Kapazitätsnebenschluss
zwischen Eingang und Ausgangsklemmen zurückzuführen ist. Der am Anfang auftretende
Basisstrom hat also keine über Eins liegende Stromverstärkung zur Folge. Mit
zunehmendem
Basisstrom fällt jedoch die Eingangsimpedanz der Basis und die Hochfrequenzabschaltung
steigt an, was eine verstärkte Wechselstromverstärkung zur Folge hat. Wenn der Ausgangsstrom
einen Wert erreicht, bei dem der Nebenschlusseffekt der geringen induktiven Reaktanzen
der primären und sekundären Rückkopplungswicklungen die Verstärkung nicht mehr unter
Null hält, tritt eine wirksame positive Rückkopplung auf.
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Bei wirksamer positiver Rückkopplung durch die Rückkopplungswicklungen
21 und 22 wird der Transistor sehr schnell voll durchgesteuert. Es fliesst dann
durch die Wicklung 23, den Transistor 25 und durch die Wicklung 22 Strom in einem
geschlossenen Strompfad, wodurch Strom von der oberen zur unteren Anschlussklemme
des Kondensators 30 geführt wird. Der in der primären Rückkopplungswicklung 22 fliessende
Strom induziert eine in Durchlassrichtung wirkende Basisvorspannung in der sekundären
Rückkopplungswicklung 21, die magnetisch mit dem Kern über die Öffnungen 38 und
39 gekoppelt ist. Diese positive Riickkopplung bewirkt einen sehr plötzlichen Anstieg
des Stroms im Transistor, wodurch sich der Kondensator sehr schnell entladen kann.
Der Entladungsstrom durch die Ausgangswicklung 23, die durch die Öffnungen 36 und
37 gewickelt ist, induziert einen Impuls von 0,5 bis 1 Ampere mit einer Dauer von
ungefähr 200 Nanosekunden in der zweiten Steuerwicklung 20 des Schalttransistors
30, wodurch dieser angeschaltet wird und leitend wird.
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Die Impulsfrequenz beträgt bei dem vorliegenden Beispiel 25 kHz.
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Das Öffrungspaar 38, 39, mittels dem die Rückkopplungswicklungen 21
und 22 induktiv gekoppelt sind, ist im Kern in der gleichen
Weise
wie auch das zur Steuerung des Schalttransistors 13 verwendete Öffnungspaar 36 und
37 im Magnetkern neutral zum Hauptfluss angeordnet. Der Steuerimpuls wird vom Steuer
oszillator zu einem Zeitpunkt erzeugt, bei dem der Schalttransistor 23 sich im Ruhezustand
befindet. Umgekehrt befindet sich auch der Steueroszillator im Ruhezustand, sobald
der Schalttransistor leitet. Dadurch wird die Gefahr einer gegenseitigen nachteiligen
Beeinflussung verringert. Die durch die Geometrie zwischen dem Hauptfluss und den
Rückkopplungswicklungen 21 und 22 des Steueroszillators bedingte magnetische Isolation
reicht im allgemeinen für entsprechende Isolation während der Schaltperiode aus.
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Die Impulsfrequenz des beschriebenen Steueroszillators ist im wesentlichen
unabhängig von Änderungen der Spannung der Gleichstromquelle und der Belastung des
Wechselrichters durch den Verbraucher.
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Der in Vorwärtsrichtung gesteuerte Wechselrichter besteht aus dem
Schalttransistor 13, dem Leistungstransformator 14 einschliesslich Wicklungen 16-20
und 23, den Dioden 33 und 34 und dem Widerstand 35. Diese Schaltungskomponenten
sind wie folgt miteinander verbunden. Die primäre Leistungswicklung 16 und die primäre
Steuerwicklung 19 liegen in Reihe zwischen der auf Potential B+ liegenden Klemme
32 und dem Kollektor des Transistors 13. Der Emitter des Transistors 13 ist mit
Masse verbunden. Die sekundäre Steuerwicklung 20 liegt zwischen Basis und Emitter
des Transistors 13, wobei ein Widerstand 35 zur Verhinderung von Selbstschwingung
im Nebenschluss zum Transistoreingang
liegt. Eine Dekommutierdiode
33 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Wicklungen 16 und 19 und Masse so gepolt,
dass eine Ladungsspeicherung im Transistor 13 bei Stromumkehr verringert wird. Die
Vorwärtsumformwicklung 17, die eng mit der Primärwicklung 16 gekoppelt ist, ist
mit ihrer nicht mit einem Punkt versehenen Anschlussklemme mit der Plusklemme 32
und mit der mit einem Punkt versehenen Anschlussklemme über die Diode 34 mit Masse
verbunden. Die Diode 34 ist so gepolt, dass in der Magnetanordnung gespeicherte
Energie während der Sperrung des Transistors in die Gleichstromspeisungsquelle wieder
zurückgeführt wird. Dieses Merkmal verringert auch die Belastung des Transistors.
Die Sekundärwicklung 18, von der 70 Windungen eng mit der Primärwicklung gekoppelt
sind, liefert an die Last 12 (Gasentladungslampe) eine Spitzenspannung von 200V
mit 25 kHz. Die Steuerwicklungen 23, 19 und 20 liefern den Ansteuerimpuls für den
Schalttransistor und sorgen für eine optimale Ansteuerung der Transistoreingangselektroden
gemäss der Erfindung.
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Der Wechs-lrichter arbeitet in der folgenden Weise. Der Schalttransistor
13 wird zunächst durch einen kurzen Impuls hoher Stärke angeschaltet, der induktiv
von der Ausgangswicklung 23 des Steueroszillators in die mit der Basis des Transistors
13 in Verbindung stehende Wicklung 20 eingekoppelt wird. Dieser Impuls bewirkt,
dass der Transistor 13 zu leiten beginnt, so dass Kollektorstrom in der primären
Rückkopplungswicklung 19 fliesst. Der in Gang gesetzte Kollektorstrom steigt dann
im wesentlichen linear an. Der Anstieg des Kollektorstroms erfolgt während des Durchlassintervalls
mit einer von der Primärinduktivität des Transformators
14 festgelegten
Neigung. Nach dem Ansteuerungszeitpunkt hält der in der Wicklung 20 induzierte Basisstrom
zunächst die Leiffähigkeit des Transistors aufrecht und beendet dann nach Polaritätsumkehr
die Stromleitung des Transistors. Aufgrund der intermittierenden Stromleitung des
Schalttransistors 13 wird ein Wechselstrom in der Primärwicklung 16 des Leistungstransformators
erzeugt, der in der Sekundärwicklung 18 einen für die Speisung der Last 12 geeigneten
Wechselstrom induziert.
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In Fig. 5 sind zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des Wechselrichters
Wellenformen dargestellt. Die nicht dargestellte Ausgangsspannung des Wechselrichters
hat eine im wesentlichen rechteckförmige Wellenform von etwas unter 200 V Spannung
von Spitze zu Spitze (ohne Belastung) mit einer Frequenz von 25 kHz.
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Amplitude und Form der Wellenform ist stark belastungsabhängig und
bei Belastung ist die Amplitude normalerweise geringer und die Wellenform normalerweise
weniger rechteckförmig. Die unterste Wellenform in Fig. 5 zeigt den Verlauf des
Kollektorstroms. Wie bereits erwähnt, steigt der Kollektorstrom während des Leitungsintervalls
linear an, fällt dann scharf ab und bleibt dann bis zum nächsten Leitungsintervall
Null. Die zweite Wellenform von unten in Fig. 5 zeigt den Verlauf des Basisstroms,
der zunächst steil, dann weniger steil ansteigt, anschliessend seine Richtung umkehrt
und dann abfällt, wodurch die Leitung des Transistors beendet wird. Die oberste
Wellenform in Fig. 5 zeigt den Verlauf der Emitterspannung. Solange der Transistor
leitet, liegt die Basis-EmitterSpannung Vbe auf einem nahezu festen positiven Wert
(+ 0, 7 V). In dem Augenblick, in dem der Kollektorstrom (nach Entfernung der gespeicherten
Ladung) zusammenbricht, wird
die Basisspannung stark negativ und
kehrt dann bis zum nächsten Steuerimpuls auf Null zurück.
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Der in Fig. 5 dargestellte Verlauf des Basisstroms, ergänzt durch
die vom Steuerimpuls stammende Ladung, hält die Stromleitung des Transistors unmittelbar
nach Beendigung des Steuerimpulses aufrecht. Im weiteren Verlauf der Leitungsperiode
zeigt die Basisstromwellenform einen durch Stromrückkopplung bedingten charakteristischen
Verlauf, der besonders bei der Abschaltung eines Leistungstransistors in einer typischen
Wechselrichterschaltung wünschenswert ist. Falls Sättigung nicht verhindert wird,
fällt die induktive Impedanz der Transistorlast steil ab, wodurch die volle Speisungsspannung
Bf an den Transistor angelegt wird und der Transistor dadurch eine sehr hohe Strombelastung
erfährt. Zusätzlich zur Verhinderung der Abschaltbelastung sollte die Basisansteuerung
im Interesse eines optimalen Schaltvorganges mit starker Rückkopplung erfolgen.
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Erfindungsgemäss wird die optimale Basisansteuerung mit Hilfe der
durch die Öffnungen 36 und 37 des Transformatorkerns verlaufenden Steuerwicklungen
19, 20 und 23 erreicht.
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Fig. 2 zeigt den Ferritkern 15, die Anordnung der Leistungswicklungen
und der Steuerwicklungen sowie die Abmessungen des Kerns als Beispiel. Es wurde
bereits ausgeführt, dass die Primärwicklung 16, die Vorwärtsumsetzwicklung 17 und
70 Windungen der Sekundärwicklung 18 den linken Schenkel des vollen Kernquerschnitts
umschliessen, während der Rest der Sekundärwicklung 18 um den rechten Schenkel gewickelt
ist. Der obere,
untere, rechte und linke Schenkel weist einen quadratischen
Querschnitt von 9,65 x 9,65 mm auf. Die Aussenabmessungen des Kerns betragen etwa
38 x 38 x 9,65 mm. Der Kern besteht aus zwei U-förmigen Teilen mit einem Luftspalt
von 0,5 mm an den Stoßstellen. Das Öffnungspaar 36, 37, dem die Steuerwicklungen
19, 20 und 23 zugeordnet sind, ist in einem Bereich in der oberen linken Ecke des
Kerns angeordnet, während das Öffnungspaar 38, 39, dem die Wicklungen 21 und 22
zugeordnet sind, in ähnlicher Weise in einem Bereich der unteren linken Ecke des
Kerns nahe der Primärwicklung angeordnet sind. In jedem Falle besitzt die kleine
Öffnung einen Durchmesser von 1,5 mm und ist auf der Mittellinie des betreffenden
oberen oder unteren Schenkels angeordnet, so dass oberhalb und unterhalb der Öffnung
jeweils ein Bereich von 4,075 mm verbleibt. Die grössere Öffnung besitzt in jedem
Fall einen Durchmesser von 2,5 mm und ist entlang der sich durch die Ecken des Kerns
erstreckenden Diagonalen angeordnet. Der Abstand zwischen der grösseren Öffnung
und der Innenkante des Kerns beläuft sich auf 3,55 mm und ist damit ungefähr 0,5
mm geringer als der Abstand der kleineren Öffnung zur Umfangswand. Der Abstand zwischen
den Öffnungen beläuft sich auf 4,65 mm und ist somit grösser gewählt als der Abstand
von 4,075 mm und von 3,55 mm.
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Die beiden Öffnungen 36 und 37 unterteilen den Hauptflusspfad in fünf
Zweige. Diese Zweige sind in jeder der Fig. 3A bis 3D unter verschiedenen magnetischen
Zuständen dargestellt. In Fig. 3A ist der über der kleinen Öffnung 36 liegende Kernbereich
mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet, während der unter der kleinen Öffnung liegende
Bereich mit der Bezugsziffer 41 versehen ist. Der zwischen
der
Aussenkante des Kerns und der grösseren Öffnung 37 liegende Kernbereich ist mit
der Bezugsziffer 43 bezeichnet. Der zwischen der Innenkante des Kerns und der Öffnung
37 liegende Kernbereich trägt die Bezugsziffer 44. Der Kernbereich zwischen den
Öffnungen besitzt die Bezugsziffer 42.
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Die für die Basis des Schalttransistors angestrebte optimale Ansteuerung,
die zunächst eine starke Durchsteuerung und schliesslich Sperrung begünstigt, wird
durch mehrere Auslegungsmerkmale der Magnetanordnung erreicht.
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Das erste Merkmal besteht darin, dass der zwischen den Öffnungen verlaufende
Zweig 42 und die diesem zugeordnete zweite Steuerwicklung in bezug auf den rund
um den Hauptflusspfad des Kerns fliessenden Hauptfluss m orthogonal oder "neutral"
angeordnet ist. Nimmt man an, dass kein Hauptfluss fliesst und dass als einziger
Fluss nur der durch die primäre Rückkopplungswicklung 19 erzeugte Zirkulationsfluss
c vorliegt, dann findet man, dass bei der dargestellten Anordnung eine eng gekoppelte
Stromtransformatorwirkung zwischen der primären und sekundären Steuerwicklung 19
und 20 bewirkt wird. Wenn der Strom in der Kollektorwicklung ansteigt, erfolgt auch
ein proportionaler Anstieg in der mit der Basis verbundenen Wicklung und es wird
für den Fall, dass die Wicklungen 19 und 20 im richtigen Sinn verlaufen, ein Stromleitung
begünstigender Basisstrom erzeugt, der etwa proportional zum Windungsverhältnis
ist. Im vorliegenden Falle besteht die Kollektorwicklung aus einer Windung und die
mit der Basis in Verbindung stehende Wicklung aus drei Windungen, wodurch der Basisstrom
über den durch das natürliche Beta festgelegten Strom ansteigt und die Ansteuerung
weiter verstärkt. " Neutral" oder " Neutralität
" in dem hier verwendeten
Sinne bedeutet, dass für den Fall, dass Strom nur in den Hauptwicklungen 16 und
17 fliesst und einen Fluss im Hauptflusspfad erzeugt, im wesentlichen keine m Ansteuerung
in der Sekundärsteuerwicklung 20 induziert wird.
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Die eben erläuterte " Neutralität" zum Hauptfluss der Basiswicklung
wird dadurch erzielt, indem die beiden Öffnungen 26 und 27 stromabwärts voneinander
im Hauptflusspfad so angeordnet werden, dass kein Fluss in den zwischen den Öffnungen
liegenden Bereich zu fliessen sucht. Würden die beiden Öffnungen in einem Schenkel
entfernt von den Ecken angeordnet, dann würde die "neutrale" Pcsition für die beiden
Öffnungen auf einer Geraden liegen, die parallel zur Mittellinie des Schenkels (und
normalerweise auf der Mittellinie) liegen würde. Praktisch bevorzugt man jedoch
eine Anordnung der Öffnungen nahe der Hauptleistungswicklung, um Zeitverzögerungen
in der Schaltanordnung zu reduzieren. Zusätzlich sollte die grössere Öffnung in
der Ecke angeordnet werden, so dass weder der Gesamtquerschnitt des Kerns noch die
Festigkeit des Kerns durch die Öffnung verringert wird.
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Bei der vorstehend erläuterten Geometrie spricht die zweite Steuerwicklung
teilweise in Abhängigkeit von der an ihr angeschlossenen Last nur auf den durch
die Steuerwicklung 19 er zeugten Zirkulationsfluss und nicht auf den Hauptfluss
m an, bis der Hauptfluss einen ziemlich hohen Pegel erreicht hat. Insbesondere wenn
die an die Steuerwicklung angeschlossene Last der Eingang eines Transistors ist,
der merkliche Ladung speichert, findet man, dass eine Abzweigung des Hauptflusses
in den zwischen den Öffnungen verlaufenden Zweig 42 verhindert wird, bis der
Transistor
nichtleitend wird. Im Falle einer ohmschen Last ohne Energiespeicherung kann der
zwischen den Öffnungen verlaufende Zweig 42 im wesentlichen seine Neutralität in
bezug auf den Hauptfluss erhalten, bis einer der Zweige 40 und 44 oder beide Zweige
40 und 44 gesättigt sind. Die eben beschriebene anfängliche Neutralität zum Hauptfluss
unter beiden Lastbedingungen ermöglicht die Erzielung einer anfänglichen, starke
Stromleitung herbeiführenden Ansteuerung aufgrund der einfachen Stromtransformatorwirkung
zwischen den Windungen 19 und 20 unbeeinflusst vom Hauptfluss.
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Ein zweites Merkmal der Magnetkernauslegung bewirkt Verringerung und
schliesslich Umkehr der Ansteuerung. Dieses Merkmal ist die richtige Dimensionierung
der Querschnitte der fünf Zweige und damit ihrer Reluktanz, wie bereits vorher erwähnt.
Falls ein der grösseren Öffnung benachbarter Zweig, beispielsweise der Zweig 44,
so dimensioniert wird, dass er zuerst gesättigt wird, der der kleineren Öffnung
36 benachbarte Zweig, beispielsweise der Zweig 40, so dimensioniert wird, dass er
anschliessend gesättigt wird, der zwischen den Öffnungen verlaufende Zweig 42 normalerweise
ausgelegt ist} dass er nicht gesättigt wird, und die diagonalen Reluktanzprodukte
gleich sind (R43 x R41 = R40 x R44), tritt die gewünschte Verringerung der Ansteuerung
und schliesslich die Umkehrung der Ansteuerung auf, wie weiter unten noch erläutert
werden wird.
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Die gew;inschte Umkehrung der Ansteuerung wird je nach der an die
sekundäre Steuerwicklung angeschlossenen Last entweder durch einen Mechanismus oder
zwei Mechanismen erzielt. Falls die Hauptlast der Wicklung der Eingangsanschluss
des Schalttransistors
13 ist, der merkliche Ladung speichert,
kann die Ver ringerung und Umkehr der Basisansteuerung durch eine Änderung der Reluktanz
erreicht werden, die eine Kopplung zwischen der primären und sekundären Steuerwicklung
bewirkt, wenn die Zweige 44 und 40 gesättigt werden. Wie noch erläutert werden wird,
sucht eine im Eingangsanschluss gespeicherte Ladung eine konstante Anderung des
Flusses in dem zwischen den Öffnungen verlaufenden Zweig aufrechtzuerhalten, bis
die Ladung abgeschlossen ist. Unter dieser Bedingung wird im wesentlichen Neutralität
in bezug auf den Hauptfluss während der Basisansteuerperiode trotz lokaler Sättigung
aufrechterhalten.
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Falls die an die Steuerwicklung 20 angeschlossene Last ein einfacher
Widerstand ist, der nicht die Fähigkeit zur Energiespeicherung besitzt, kann der
Hauptfluss in den zwischen den Öffnungen verlaufenden Zweig 42 aus den Zweigen 43
und 41 einfliessen, wenn die Zweige 44 und 40 gesättigt werden, wodurch eine Umkehr
der Ansteuerung durch einen zweiten Flußsteuerungsmechanismus erzielt wird. Die
neue diagonale Flussrichtung des Hauptflusses induziert einen Strom in der Wicklung
20 im umgekehrten Sinn zu dem durch die Primärwicklung 19 erzeugten Strom.
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Anhand der Fig. 3A bis 3D wird nun näher auf die Einzelheiten ein
gegangen.
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Fig. 3A zeigt die anfänglichen Flussbedingungen in der Nähe der beiden
Öffnungen. Die Pfeile zeigen die Flussbedingungen für den Augenblick bei Normalbetrieb,
nachdem der Steuerimpuls aufgetreten ist und Transistorströme in den Steuerwicklungen
19 und 20 zu fliessen begonnen haben. Der Hauptfluss tritt m von unten in die Ecke
des Kerns ein> verläuft im Uhrzeigersinn um die Ecke oberhalb und unterhalb des
Öffnungspaares und tritt rechts aus der Ecke aus. In der Nähe der Öffnungen 36 und
37 wird aufgrund von Stromfluss in der Steuerwicklung 19 ein Zirkulationsfluss c
um jede Öffnung erzeugt. Die in Reihe geschaltete Steuerwicklung 19 führt den gleichen
Strom wie die Primärwicklung 16, wobei der durch die Primärwicklung 16 fliessende
Strom den Hauptfluss zum erzeugt, so dass dadurch die Phasenbeziehungen zwischen
zum und c festgelegt werden.
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Der auf die Steuerwicklung 19 zurückzuführende Zirkulationsfluss verläuft
typischerweise im Gegenuhrzeigersinn um die Öffnung 37 und im Uhrzeigersinn um die
Öffnung 36, wenn der Hauptfluss im Uhrzeigersinn um den Hauptkern verläuft.
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Die Flussverteilung nahe den Öffnungen 36 und 37 kann man sich als
Ergebnis von zwei magnetomotorischen Kräften vorstellen, die den Hauptfluss und
die Zirkulationsflüsse in einem fünf Zweige umfassenden Magnetpfad erzeugen. Bei
Betrachtung eines Zweiges zu einer Zeit ergibt sich, dass der Hauptfluss und der
Zirkulationsfluss im Bereich 44 nahe der Öffnung 37 in der gleichen Richtung verlaufen
und sich damit addieren, während diese Flüsse im Zweig 43 in entgegengesetzter Richtung
verlaufen und sich damit subtrahieren. Von den beiden Zweigen 44 und 43 hat somit
der Zweig 44 den höchsten Flusspegel und, falls aufgrund der relativen Querschnitte
und
der Pfadlängen die Reluktanz des Zweig es 44 gleich der Reluktanz des Zweiges 43
ist, kann man erwarten, dass der Zweig 44 zuerst gesättigt wird, wenn der Strom
in der Hauptwicklung und in der primären Steuerwicklung weiter ansteigt.
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In ähnlicher Weise liegen die Verhältnisse in den Bereichen nahe der
Öffnung 36. Der Hauptfluss und der Zirkulationsfluss verlagern sich additiv im Bereich
40 und subtraktiv im Bereich 41, so dass im Zweig 40 ein grösserer Fluss vorliegt
als im Zweig 41. Sollte der Strom in der Hauptwicklung und in der primären Steuerwicklung
weiter steigen und beide Bereiche gleiche Pfadlänge und gleichen Querschnitt aufweisen,
wäre zu erwarten, dass sich der Zweig 40 vor dem Zweig 41 sättigt. Betrachtet man
alle vier Zweige 40, 41, 43 und 44 zusammen, wäre zu erwarten, dass der Zweig 44
vor dem Zweig 40 gesättigt wird, falls man annimmt, dass der Gesamtfluss durch die
beiden Zweige 40 und 44 gleich ist, da der Querschnitt des Zweiges 44 (3,55 x 9,65
mm) geringer ist als der Querschnitt des Zweiges 40 (4,075 x 9,65 mm).
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Die Abmessungen der Öffnungen wurden so yewählt, um die vorstehend
erläuterte Sättigungsfolge zu gewährleisten. Fig. 3B zeigt den zweiten Zustand,
in dem der Zweig 44 gesättigt ist, was durch Schattierungslinien symbolisch angedeutet
ist. Der innere Hauptfluss innerhalb des Öffnungspaares ist gestrichelt angedeutet,
um den Durchgang durch einen gesättigten Zweig anzudeuten, was gleichbedeutend mit
dem Durchgang durch einen Luftspalt ist. Die magnetische Kopplung zwischen der primären
und der sekundären Steuerwicklung ist im wesentlichen halbiert, da der links liegende
Magnetring, der die Steuerwicklungen 19 und 20 umschliesst, wenn diese nach unten
durch den Kern verlaufen,
zerstört wird, so dass nur der rechts
liegende Magnetring verbleibt, der die Steuerwicklungen 19 und 20 umschliesst, wenn
diese nach oben durch den Kern verlaufen. Berechnungen zeigen auch, dass die Kernreluktanz,
die die primäre und die sekundäre Steuerwicklung aneinanderkoppelt, um etwa den
Faktor Zwei ansteigen sollte. Dadurch ergibt sich die in Fig. 5 dargestellte anfängliche
Verringerung in der Neigung des Basisstroms Fig. 3C zeigt den dritten Zustand, wobei
die Schcttierlinien die Sättigung des zweiten Zweiges 40 andeuten. Sowohl der Hauptflusspfad
oberhalb als auch der Hauptflusspfad unterhalb der Öffnungspaare sind schattiert
dargestellt, was einem Durchgang durch einen Luftspalt entspricht. Die um die Öffnungen
37 und 36 zirkulierenden Flüsse sind beide gestrichelt dargestellt, da beide Flüsse
nun durch einen gesättigten Zweig hindurchgehen müssen, was dem Durchgang durch
einen Luftspalt entspricht.
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Wenn der Zweig 40 gesättigt wird, wird der rechts liegende Magnetring,
der die Steuerwicklungen 19 und 20 bei ihrer Rückführung nach oben durch den Kern
umschliesst, zerstört. Damit ist auch die enge magnetische Kopplung zwischen der
Primärwicklung und der Sekundärwicklung 19 und 20 fast zerstört. Alle den Wicklungen
19 und 20 zugeordneten magnetischen Pfade besitzen damit eine hohe Reluktanz. Das
bedeutet, dass jeweils um jede Öffnung ein gesättigter Pfad und weiterhin ein dritter
längerer Pfad um den Hauptkern existiert, der sich durch die Zweige 41, 42 und 43
schlangelt und die beiden Luftspalte (0,5 mm) zwischen den Kernhälften durchfliesst.
Berechnungen zeigen, dass diese drei Pfade eine typischerweise um zwei Grössenordnungen
höhere
Reluktanz in bezug auf den ursprünglichen Doppel ring aufweisen.
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Dieser Anstieg der Reluktanz ist für die in Fig. 5 dargestellte sehr
plötzliche Neigungsumkehr des Basisansteuerungsstromes ib verantwortlich. Der Basisansteuerstrom
nimmt weiter nach unten ab und wird schliesslich negativ, wodurch gespeicherte Ladung
aus der Transistoreingangssperrschicht entzogen und der Transistor vollständig abgeschaltet
wird.
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Die Transistoreingangsspannung bleibt positiv (+ 0, 7 V), bis die
gespeicherte Ladung entfernt ist, und verläuft dann in der in Fig. 5 dargestellten
Weise stark negativ, kehrt auf Null zurück und verbleibt dort, bis der nächste Steuerimpuls
die Durchsteuerung des Transistors erneut einleitet.
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Bevor der vorstehend erläuterte Mechanismus der Ansteuerungsumkehr
näher erläutert wird, wird nun auf einen zweiten Ansteue rungsumkeh rmechanismus
eingegangen, der dann auftritt, wenn eine keine Energie speichernde Last an die
Steuerwicklung 20 gekoppelt ist. Unter dieser Belastungsbedingung tritt zunächst
wie zuvor eine Sättigung des Zweiges 44 auf und zusätzlicher Hauptfluss wird in
den Zweig 43 gezwungen. Zu diesem Zeitpunkt kann der zusätzliche Hauptfluss weiter
durch den Zweig 40 fliessen, wobei etwas Abzweigung in den zwischen den Öffnungen
verlaufenden Zweig 42 auftreten kann. Wenn nun der Zirkulationsfluss und der Hauptfluss
weiter ansteigen, wird der Zweig 40, in dem sich der Hauptfluss und der Zirkulationsfluss
additiv überlagern, gesättigt. Sättigung der Zweige 40 und 44 zerstört wie vorher
praktisch die Stromtransformatorwirkung zwischen den Wicklungen 19 und 20 und reduziert
auch irgendeinen zusätzlichen Anstieg des
Zirkulationsflusses ÇN
in dem zwischen den Öffnungen verlaufenden c Zweig 42 auf einen vernachlässigbaren
kleinen Wert. Der zusätzliche Hauptfluss, der nun aufgrund von Sättigung im wesentlichen
am Einfliessen in die Zweige 44 und 40 gehindert ist, nimmt in den Zweigen 43 und
41 zu und fliesst stark durch den zwischen den Öffnungen verlaufenden Zweig 42.
Der Richtungssinn des Hauptflusses in den Zweigen 43, 42 und 41 ist entgegengesetzt
zu dem durch den Zirkulationsfluss erzeugten Richtungssinn. Da auch der Hauptfluss
grösser ist, wird an die sekundäre Steuerwicklung 20 eine starke Stromführung des
Transistors hemmende Spannung angelegt. Der vorstehende Mechanismus tritt dann auf,
wenn ein grosser Widerstand in Reihe mit dem Eingangsanschluss des Transistors angeordnet
wird, wodurch die feste V be Spannung und Energ iespeiche rbedingungen geschwächt
werden. Die Ansteuerwellenform bei jeder der beiden Belastungen verläuft jedoch
so, dass zunächst eine starke Ansteuerung in Durchlassrichtung, dann eine Verringerung
der Ansteuerung in Du rchlass richtung und schliesslich eine starke Ansteuerung
in Sperrichtung erfolgt.
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Ein näheres Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung liefert eine
mathematische Analyse. Fig. 4A zeigt die Anordnung von zwei Öffnungen, die der Anordnung
gemäss Fig. 2 ähnlich ist, jedoch in vielerlei Hinsicht davon abweicht. Fig. 4A
zeigt die beiden Öffnungen auf der Mittellinie eines geraden Magnetpfades angeordnet,
von dem angeommen wird, dass er ein Teil eines geschlossenen Magnetkreises ist.
Der Hauptfluss tritt von der rechten Seite ein und tritt auf der linken Seite aus.
Der der grösseren Öffnung zugeordnete Zi rkulationsfluss fliesst im Uhrzeigersinn
und der der kleineren Öffnung zugeordnete Zirkulationsfluss fliesst im Gegenuhrzeigersinn.
Die Reluktanzwerte in den fünf Zweigen
40-44 sind mit dem Buchstaben
R verbunden mit der Bezugsziffer des jeweiligen Zweiges angegeben. In Fig. 4B zeigt
das Ersatzschaltbild die Magnetanordnung gemäss Fig. 4A. Zum Zwecke der Analyse
wurden drei Flußschleifen 1' 2 und definiert.
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m Die erste Flußschleife 1 enthält die Reluktanzen R40, R42, den
Generator Uh und die Reluktanz R41. Uh ist die magnetomotorische Kraft, die auf
den zwischen den Öffnungen verlaufenden Zweig 42 wirkt und durch die primäre und
sekundäre Steuerwicklung 19 und 20 geliefert wird. Die zweite Flußschleife 2 enthält
die Reluktanzen R40, R43, R44 und R41. Die dritte Flußschleife #m enthält den Hauptflussgenerator
#m, die Reluktanz R41 und R44. Für den Fluss 1 im Zweig 42 ergibt sich also folgender
Ausdruck:
Der Koeffizient des im Zähler stehenden Ausdrtickes kann mit m # N bezeichnet werden,
so dass gilt: (R41 R43) - (R40 R44) #N = (2) R40 + R41 + R43 + R44 Der Nenner kann
mit #D bezeichnet werden, so dass gilt: (R40 + R41) (R43 + R44) #D = R42 + (3) R40
+ R41 + R43 + R44 Nimmt man an, dass vor Sättigung die Reluktanzen linear sind,
und iD bezug auf die Öffnungen symmetrisch angeordnet sind, d.h. R41 R43 = R40 R44,
dann wird der Zählerausdruck # N Null. Vor Sättigung ist also 1 unabhängig vom Hauptfluss
in dem Maße, wie sich # N Null nähert.
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Der aus Stromfluss in den Steuerwicklungen 19 und 20 resultierende
Ersatzgenerator erzeugt eine magnetomotorische Kraft U Uh = Nc ic - Nb ib (4) Die
Gleichung 4 folgt aus dem Ampere' schen und Lenz' schen Gesetz, wobei das letztere
aussagt, dass in der Sekundärwicklung Nb ONicklung 20) fliessender induzierter Strom
eine magnetomotorische Kraft erzeugt, die entgegengesetzt zum Primärstrom ist, der
in der Primärwicklung N (Wicklung 19) ist.
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c In Fig. 4C ist der vereinfachte Schaltkreis mit der Primärwicklung
c (Wicklung 19) und der Sekundärwicklung Nb Wicklung 20) dargestellt. Der in diesem
Schaltkreis dargestellte Transistor ist mit dem Kollektor an eine geeignete Potentialquelle
B+ angeschlossen.
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Die Sekundärwicklung Nb ist mit dem Emitter verbunden und an der Basis
liegt ein äusserer Widerstand Rb. Der Emitter ist über die Primärwicklung N geerdet.
Der mit einem Pfeil angedeutete Basisstrom b fliesst durch die Wicklung Nb und den
Widerstand Rb zur Basis. Der durch einen Pfeil angedeutete Kollektorstrom i c fliesst
durch die Wicklung N auf Masse. Die zwischen Basis und c Emitter liegende Spannung
ist mit Vb bezeichnet. Es wird angenommen, dass die Spannung Vbe konstant ist, wenn
der Transistor in Durchlassrichtung vorgespannt ist, und konstant bleibt, bis alle
gespeicherte Ladung entfernt ist.
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Nach dem Faraday'schen Gesetz muss die in der Sekundärwicklung induzierte
Spannung gleich dem Spannungsabfall im äusseren Basiskreis sein, d.h.
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Nb #1 = ib Rb + Vbe (5)
Die Grösse R ist normalerweise
sehr klein gehalten und ist im b vorliegenden Falle Null.
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Zur Vereinfachung der Analyse wird angenommen, dass der Hauptfluss
und der Kollektorstrom i eine lineare Funktion der Zeit m c sind, d.h.:
L ist die Induktanz der Primärwicklung und N ist die Anzahl der P P Windungen der
Primärwicklung. Die gemachten Annahmen stimmen mit dem tatsächlich beobachteten
Verlauf des Kollektorstromes überein. Durch Kombination der vorhergehenden Gleichungen
erhält man eine Differentialgleichung, die den Fluss 1 in dem zwischen den Öffnungen
verlaufenden Zweig angibt.
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Wenn dieser Ausdruck mit Hilfe der La Place Transformation gelöst
wird, erhält man den folgenden Ausdruck:
Verwendet man Gleichung 1 und 4 und löst nach b auf, erhält man:
Verwendet man Gleichung 6 zur Eliminierung von #m, so erhält man:
Nimmt man für die Gleichung 6 an, dass ic(t) = B+ t, d.h. der (11) Kollektorstrom
eine lineare Funktion der Ze.it P über die ganze Leitungsperiode ist, kann man i
eliminieren und man c erhält:
Ersetzt man 1 durch die Gleichung 8 und vereinfacht, dann erhält man:
Nimmt man an, dass die Basiszeitkonstante
mehrere Male grösser ist als die Zeitkonstante, die zur Sättigung des Ferrits und
zur Sperrung des Transistors erforderlich ist, kann man Gleichung 13 weiter vereinfachen:
Die Ausdrücke in Gleichung 14 ermöglichen mehrere Aussagen.
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Der Klammerausdruck ist durch die Grösse t multipliziert, d.h., ib
ist eine zeitabhängige Grösse. Der erste Ausdruck innerhalb der Klammer entspricht
dem Stromtransformator und gibt den von den Wicklungen 19 und 20, der Potentialquelle
B+ und der Induktanz der Hauptprimärwicklung stammenden Beitrag zu ib an.
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Der zweite Ausdruck in der Klammer der Gleichung 14 enthält den Zählerausdruck
åN der anfänglich Null ist, falls geometrische Symmetrie und nicht Sättigung angenommen
wird. Der letzte Ausdruck in der Klammer ist ein virtueller Stromgeneratorausdruck,
der auf das Vorhandensein der Transistorsperrschicht hinweist.
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Der zweite Ausdruck ist von Null verschieden, wenn Sättigung der
Zweige 40 und 44 auftritt und dient zur Umkehr der Basisansteuerung, da die Grösse
aN grosse negative Werte annimmt.
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Mathematisch ausgedrückt erzielt man eine neutrale Flussverteilung,
indem man die grosse Öffnung 37 und die kleine Öffnung 36 entlang der praktischen
Mittellinie des Schenkels anordnet, so dass die Reluktanz der Zweige oberhalb und
unterhalb jeder Öffnung gleich sind, während die der grösseren Öffnung zugeordneten
Reluktanzen grösser sind als die der kleineren Öffnung zugeordneten Reluktanzen.
Die Gleichungen stützen das allgemeinere Konzept, dass die Diagonalprodukte der
Reluktanzen gleich sein sollten ,(R41 x R43 = R40 x R44). Dies schliesst ein, dass
kein unmittelbarer Verlust an Isolierung auftritt, falls die Öffnungen von der Mittellinie
versetzt sind, sofern die Mittelpunkte der Öffnungen parallel zur
Mittellinie
verlaufen. Das Material des Kerns ist nicht vollkommen linear, so dass die Gleichgewichtsbeziehung
mit zunehmender Versetzung der Öffnungen aus der Mitte verschlechtert wird. Die
Reluktanz des äusseren und des inneren Magnetflusspfades ändert sich an den Ecken,
was teilweise darauf zurückzuführen ist, dass der äussere Pfad eine grössere Länge
aufweist als der innere Pfad.
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Der Fluss sucht nicht in die äussere Ecke einzudringen und individuelle
Flusslinien verlaufen mit einem merklichen Radius. Zur Erzielung von Neutralität
kann man-die Öffnung an der Ecke etwas nach innen bringen, falls man von einer rechteckigen
inneren Ecke und einer rechteckigen äusseren Ecke ausgeht. Falls man minimales Kerngewicht
anstrebt und billige Kernmaterialiej zu verwenden sucht, sollte man die Öffnungen
vorzugsweise so anordnen, dass die Reluktanz bei jeder Öffnung im wesentlichen gleich
ist. Der Abstand zwischen den Öffnungen sollte normalerweise grösser sein als in
den seitlichen Zweigen, um Sättigung im Mittelbereich zu vermeiden, die auch keine
wirtschaftliche Ausnutzung des Kernmaterials ermöglicht. In der hier beschriebenen
praktischen Ausführungsform wird die Sättigung in der Mitte normalerweise durch
einen etwas grösseren Querschnitt vermieden (beispielsweise 4,65 gegenüber 4, 075
gegenüber 3,55 mm). Der Abstand zwischen den Öffnungen sollte normalerweise kleiner
sein als die doppelte Breite des Kerns !9,85 mm im nrliegenden Fall), da dies die
Ausbildung von zwei vollständigen Ringen minimaler Reluktanz um jeder Apertur ermöglicht.
Bei grösseren Abständen zwischen den Öffnungen leidet die Neutralität der Steuerwicklung
in bezug auf den Hauptfluss.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform wurde eine doppelte Öffnungskonfiguration
für einen Wechsel richter mit einem einzigen Transistor verwendet. Diese Konfiguration
kann jedoch auch bei
einem Wechselrichter verwendet werden, der
zwei wechselweise leitende Transistoren enthält, wie dies bei der Ausführungsform
nach Fig. 6 der Fall ist.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 sind die Transistoren 51 und
52 die Hauptschalttransistoren und der Transistor 53 ist ein Starttransistor. Der
Leistungstransformator 54 besitzt eine Primärwicklung mit Mittelabzapfung und eine
Hauptsekundärwicklung, an die eine als Gasentladungslampe 55 dargestellte Last angeschlossen
ist. Der Kern des Transformators 54 besteht aus zwei Teilen und besitzt zwei Paare
von Doppel öffnungen, wobei das eine Paar in der oberen rechten Seite des Kerns
und das andere Paar in der unteren rechten Seite des Kerns in der anhand von Fig.
2 erläuterten Weise angeordnet ist. Der Transformator besitzt zwei Spannungsrückkopplungswicklungen
57 und 58, von denen jede in Reihe mit einem kleinen Widerstand an den Eingang eines
Schalttransistors angeschaltet ist. Auch sind Stromrückkopplungswicklungspaare 59,
60 sowie 61 und 62 vorgesehen, die den Doppelöffnungen zugeordnet sind. Die Primärwicklungen
der Stromrückkopplungswicklungen sind in Reihe mit den entsprechen--4t n Hälften
der Primärwicklung des Transformators mit Mittelabgriff und den Emittern der zugeordneten
Leistungstransistoren geschaltet. Diese Schaltung erzwingt einen Durchgang des Primär--,.romes
durch die Stromrückkopplungsvic!-lungen 59 und 61. Die sekundären Stromrückkopplungswicklungen
60 und 62, die mit den Steuerwicklungen 59 bzw. 61 induktiv gekoppelt sind, sind
mit einem Reihenwiderstand zwischen Emitter und Basis des entsprechenden Schalttransistors
geschaltet. Wenn einmal die Schwingung in Gang gekommen ist, sorgen die Spannungs-
und Stromrückkopplung für eine abwechselnde Schaltfrequenz. Wie bereits
dargelegt,
sorgt die Basisansteuerung der einzelnen Schalttransistoren dafür, dass zunächst
die Stromführung des Transistors begünstigt und dann der Transistor gesperrt wird.
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Die Schaltung nach Fig. 6 beginnt n h Anlegen eines Startimpulses
zu schwingen, der von einem Schaltkreis erzeugt wird, der den Transistor 53, zugeordnete
Widerstände und Kondensatoren und Wicklungen 63 und 64 enthält, die einem Öffnungspaar
zugeordnet sind. Der Startimpuls erscheint auf der Wicklung 64 und wird in die Stromrückkopplungswicklung
in dem gleichen Öffnungspaar eingekoppelt. Der jeweilige Schalttransistor 51 bzw.
52 beginnt damit zu leiten. Die oben näher erläuterte selektive Sättigung der magnetischen
Bereiche bestimmt die Länge des Leitungsintervalls.
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Die Abschaltung erzeugt einen Strom gleicher Grösse, jedoch in umgekehrter
Richtung in der anderen Hälfte der Primärwicklung.
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Dieser Strom wird teilweise durch die Rücklaufdioden geleitet, von
denen jede in der dargestellten Weise zwischen der Aussenklemme der Primärwicklung
und dem Kollektor eines der Schalttransistoren geschaltet ist. Der verbleibende
entgegengesetzt gerichtete Strom injiziert Ladung in die Basis und bewirkt eine
umgekehrte Stromleitung von der Basis zum Kollektor. Das Basispotential fällt bald
unter das Potential des Kollektors und der Transistor leitet normal, wodurch die
Bedingungen für wiederholte abwechselnde Leitung geschaffen werden. Während jeder
Leitungsperiode wird Basisstrom über Stromrückkopplung zur Sicherstellung von Transistorsättigung
erzeugt. Für bestimmte Lasten (ohmsche Lasten) werden Umschaltbedingungen ohne Verwendung
von Rücklaufdioden geschaffen. Der Strom durch diese Belastungen kann ohne Gefahr
durch die Kollekto r-Bas is-Verbindu ngen geführt werden.
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Die durch die Wicklungen 57 und 58 geschaffene Spannungsrückkopplung
ermöglicht den Betrieb des Wechselrichters ohne Belastung. Der Betrieb des Wechselrichters
ohne Belastung kann auch durch andere Mittel sichergestellt werden, wie durch einen
grossen Magnetisierungsstrom, jedoch wird Spannungsrückkopplung bevorzugt, da sie
den Strom im Transistor auf einem Minimum hält. Die dargestellte Schaltung kann
mit verschiedenen Lasten einschliesslich Fluoreszenzlampen verwendet werden.
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Falls sie mit einer Gasentladungslampe verwendet werden soll, sollten
Mittel zum Zuführen einer Hochspannungsstartspannung vorgesehen werden.
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Sowohl der beschriebene Wechselrichter mit nur einem Transistor als
auch der beschriebene Wechselrichter mit zwei Transistoren arbeitet mit einem ausgezeichneten
Wirkungsgrad. Bekannte Wechselrichter arbeiten mit 6 bis 8 % Verlusten. Bei Verwendung
einer Kernkonfiguration mit zwei Öffnungen, bei der die Ansteuerung optimiert ist,
können die Systemverluste weitere 1 bis 3 % verringert werden. Da die Transistorverluste
etwa zu einem Drittel zu den Gesamtsystemverlusten beitragen, können die Transistorverluste
um über 50 % reduziert und damit die inneren Verluste stark verringert wenden.
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Der Transistorsteuermechanismus des Transformators nach der Erfindung
ermöglicht geringere Verluste als bekannte Schaltungsanordnungen. Wenn ein Transistoreingang
als Last für die Steuerwicklung in der erfindungsgemässen Doppelöffnungskonfiguration
vorgesehen wird, kann der Eingang direkt an die Steuerwicklung angeschaltet werden,
ohne dass zur Schaffung eines Spannungsabfalls ein zusätzlicher Reihenwiderstand
erforderlich ist, um den
Eingang des Transistors beim Abschalten
zu schützen und einen entgegengesetzt gerichteten Strom zu erzeugen. In den mit
dem erfindungsgemässen Transformator arbeitenden Schaltungen ist also zum Schutz
des Transistoreinganges kein Verluste liefernder Widerstand erforderlich. Sowohl
bei der die Stromführung unterstützenden Arbeitsweise als auch bei der die Stromführung
hemmenden Arbeitsweise und bis zur Abschaltung des Transistors bleibt der durch
die sekundäre Steuerwicklung 20 (Fig. 1) wirkende gedachte Generator eine Spannungsquelle,
die zur Erzeugung einer umgekehrt gerichteten Spannung am Transistoreingang nicht
fähig ist. Nachdem der erste Zweig 44 gesättigt ist und damit die Vorwärtsansteuerung
verringert wird, fährt die zweite Steuerwicklung mit der Aufrechterhaltung der Stromtransformatorwirkung
fort. In diesem Zustand bleibt die Ankopplung der Steuerwicklung 20 an die P rimärsteue
rwickluncr erhalten wenn auch verringert, und die Kopplung der Steuerwicklung an
den Hauptfluss wird durch das Vorhandensein von zwei alternativen Pfaden für den
Hauptfluss beeinflusst. Der eine Flusspfad 40 ist nicht wesentlich an die zweite
Steuerwicklung angekoppelt, während dies beim Pfad 42 der Fal@ ist. Der nichtgekoppelte
Pfad 40 liegt im Nebenschluss zum anderen Pfad 42 und stellt einen alternativen
Pfag geringer Reluktanz dar, £n dass der Hauptfluss nicht in den Zweig 42 gezwungen
und die früher erwähnte starre Spannungstrasformatorwirkung vermeiden wird. Weiterhin
bleibt der Fluss im Zweig 42 lastabhängig und wird daher vom Eingang des Transistors
beeinflusst. Aufgrund der Generatorwirkung wird die im Zweig existierende Flussänderung
aufrechterhalten und dem Eindringen des entgegengesetzt gerichteten Hauptflusses
Widerstand entgegengesetzt. Da der Ferritt im Zweig 40 eine geringe Restneigung
im B/H-Diagramm besitzt, bleibt die Belastungsimpedanz für den Transistoreingang
gross im Vergleich
zum kleinen Innenwiderstand des Eingangs. Dadurch
bleibt der vom Zweig 40 gebildete alternative Flusspfad für den Hauptfluss erhalten
und der Transformator behält seine Funktion als Strom quelle bei, bis die negative
Ansteuerung alle gespeicherte Ladung vom Transistoreingang entfernt hat und der
Transistor abgeschaltet ist. Bei abgeschaltetem Transistor wird dem Eindringen des
Hauptflusses in den Zweig 42 nicht mehr länger Widerstand entgegengesetzt. Der Hauptfluss
kann nun in den Zweig 42 eindringen und er zeugt eine umgekehrt gerichtete Spannung
bei vernachlässigbarem Strom am Transistoreingang. Wäre der gedachte elektrische
Generator vor Abschaltung des Transistors eine Stromquelle geworden, dann wäre zum
Schutz des Transistors beim Abschalten ein Reihenwiderstand erforderlich, der einen
Spannungsabfall von mehreren Volt liefert, so dass die Verluste der Schaltung mehrfach
höher wären als die tatsächlichen Verluste der Basissperrschicht.
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Erfindungsgemäss wird also zusätzlich zum effektiven Betrieb des Schalttransistors
auch noch Energie eingespart.
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Die Erfindung kann zwar mit einer Reihe von Ferritmaterialien realisiert
werden, die als weiche Ferrite bezeichneten Werkstoffe eignen sich jedoch besonders
gut. Ein geeignetes Material dieses Typs ist das Material mit dem Handelsnamen Stackpole
24B. Dieses Material zeigt einen steileren Anstieg und merkliche Krümmung bei kleinen
B-Werten, mit zunehmendem Anstieg von B bleibt jedoch auch die Krümmung und eine
absolute Steigung, obwohl verringert, erhalten. Diese Eigenschaft erleichtert die
Funktion des Transistoreingangs dadurch, indem die Stromgeneratorwirkung aufrechterhalten
wird und vorzeitige Spannungsgeneratorwirkung ver hindert wird. Wenn der zweite
Zweig 40 mit zunehmendem Haupffluss
gesättigt wird, wobei eine
fortlaufende Verringerung der Neigung der B/H-Kennlinie auftritt, werden die beiden
von der Reluktanz abhängigen Ausdrücke in der den Basisansteuerstrom angebenden
Gleichung 14 zunehmend mehr negativ. Dies deutet darauf hin, dass an einem Punkt
der Steigung der B/H-Kennlinie die Basisansteuerung Null wird und dass jenseits
von diesem Punkt die Basisansteuerung entsprechend den tatsächlich beobachteten
Ve r hältnissen negativ wird. Zur Erzielung einer anfänglichen Rückkopplungswirkung
wird in Gleicher 14 eine bestimmte Steigung der B/H-Kurve angenommen. Für die am
Schluss erforderliche Gegenkopplungswirkung muss sich die Steigung so stark ändern,
dass die beiden von der Reluktanz abhängigen Ausdrücke einen Wert annehmen, bei
dem der gesamte Ausdruck negativ wird und dementsprechend eine Umkehrung der Ansteuerung
erfolgt. Der gewünschte Wechsel der Ansteuerung von Mitkopplung zu Gegenkopplung
kann daher unabhängig davon erfolgen, wie die B/H-Kurve von einer steileren Neigung
in eine weniger steile Neigung übergeht.
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Wie bereits vorher angegeben worden ist, wird jedoch die erwünschte
Stromtransformatorwirkung durch die Annahme begünstigt, drss die B/H-Kurve noch
eine merkliche Neigung beibehält und damit keine Null-Belastung für den Transistoreingang
während der Zeitspanne darstellt, in der sie selbst eine Energiequelle ist. Der
beobachtete konstante Verlauf der Spannung Veb zeigt, dass weiche Ferrite im allgemeinen
B/H-Eigenschaften aufweisen, die zur sicheren und wirksamen Abschaltung von konventionellen
Flächenleistungstransistoren erforderlich sind.
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In Hochleistungsschaltungen wird gewöhnlich ein Dämpfungswiderstand
(35 in Fig. 1 ) verwendet, um während der Umschaltung gegebenenfalls auftretendes
Ü berschwi ngen zu dämpfen und zufällige
Wiederansteuerung des
Transistors zu verhindern. Der im Nebenschluss zur Basissperi"chicit liegende Widerstanu
verhindert, dass hochfrequente Energie, die durch die Kollektor-Basis-Kapazität
zur Basiselektrode gekoppelt wird, eine Injektion verursacht.
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Der Widerstand kann so gewählt werden, dass sein Verlust gering ist
im Vergleich zum Verlust der Basissperrschicht, so dass der Gesamtwirkungsgrad der
Schaltung erhalten bleibt.
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Transformator-Transistor-Schaltungen der hier beschriebenen Art besitzen
eine verbesserte Stabilität hinsichtlich der Leistung in bezug auf die Temperatur.
Dies gilt sowohl bei fremdgesteuerten als auch bei selbstschwingenden Ausführungen.
Sowohl der Flächentransistor als auch der Ferrit des Kerns werden der gleichen Temperatur
bei konventioneller Anordnung ausgesetzt. Bei der konventionellen Anordnung werden
die Schaltungselemente möglichst nahe nebeneinander angeordnet, um einen kompakten
Aufbau zu erzielen und elektromagnetische Störungen aufgrund von langen Leitungslängen
und weit auseinanderliegenden Bauteilen zu vermeiden. Mit zunehmender Temperatur
nimmt das B des Ferrits max ab, wodurch das Spannungs-Zeit-Gebiet der einzelnen
Leitungsperiode verringert wird. Bei zunehmender Temperatur und fester Speisespannung
sucht also der Ferrit die einzelnen Leitungsperioden zu verkürzen. Die Spannung
von der Steuerwicklung gelangt zu einer Diodensperrschicht, deren Spannung mit der
Temperatur abnimmt, und die daher die einzelnen Leitungsperioden zu vergrössern
sucht.
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Diese beiden Effekte stehen ungefähr im Verhältnis von 3 : 2, wobei
der Effekt des Ferrits dominiert, so dass sich eine Verbesserung derz Leistungsstabilität
im Verhaltnis von 3 : 1 ergibt.
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Der erfindungsgemässe Transformator wurde hier in Verbindung mit zwei
Arten von statischen Wechsel richtern erläutert. Der Transformator nach der Erfindung
kann auch bei Sperroszillatoren und anderen Ausführungsformen von statischen Wechsel
richtern eingesetzt werden.
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L e e r s e i t e